Звукоизоляционные характеристики остекления

Осредненные величины индексов звукоизоляции, приводимые в большинстве ис­точников по окнам, далеко не всегда отражают действительные звукозащитные каче­ства остекления. Для объективной оценки необходимо представление о работе как от­дельных стекол, так и конструкции в целом в различных частотных диапазонах.

По своей природе основная доля шумовых воздействий на окна приходится на так называемый воздушный шум, возникающий при излучении звука в воздушное про­странство. Излучаемый звук достигает какого-либо ограждения и вызывает его колеба­ния. Колеблющееся ограждение, в свою очередь, излучает звук в смежное помещение, и таким образом воздушный шум достигает воспринимающего его человека.

Каждое отдельное стекло, подвергающееся воздействию падающих звуковых волн, следует рассматривать как тонкую пластину, получающую под внешним воздействием деформации изгиба. На рис. 2.15 показаны частотные характеристики изоляции воз­душного шума одиночными стеклами различной толщины, рассчитанные по программе ZVUK1, разработанной на кафедре Архитектуры МГСУ. В основу алгоритма програм­мы положена методика СНиП II-12-77 «Защита от шума». Построение расчетной кри­вой осуществляется, исходя из экспериментально установленной зависимости, опреде­ляющей наличие двух частотных диапазонов звукоизоляции, разделенных граничной частотой fгp. На этой частоте скорость изгибных волн в конструкции совпадает со скоростью звука в воздухе. В этот момент длина изгибной волны λ и будет равна следу длины волны λ падающего звука. Это явление получило название волновое совпадение или пространственно-частотный резонанс. При волновом совпадении распределение давления на поверхности конструкции точно соответствует распределению амплитуд ее собственных колебаний, что приводит к резкому увеличению интенсивности изгиб­ных колебаний, и, соответственно, к резкому снижению звукоизоляции. При этом на участках до граничной частоты и после нее, звукоизоляция изменяется в соответствии с законом массы, который может быть записан в виде:

Рис. 2.15. Частотные характеристики изоляции воздушного шума одиночными стекла­ми различной толщины h: 1 - h=3 мм, m=7.5 кг/м²; 2 - h=4 mm, m=10 кг/м²; 3 - h=6 мм, m=15 кг/м²; 4 - h=8 мм, m=20 кг/м², 5 - нормативная кривая изоляции воздушного шума, 6 - кирпичная кладка ρ = 1900 кг/м³, h = 250 мм, m = 475 кг/м ²

Все отклонения вниз от нормативной кривой следует рассматривать как несоответ­ствие конструкции предъявляемым требованиям в данной точке частотного диапазона. При этом, в соответствии с табл. 2.12 ощутимой величиной следует считать отрица­тельное отклонение свыше 10-15 дб.

Точка, соответствующая граничной частоте, является критической. Достижение не­обходимого значения звукоизоляции на этой частоте представляется достаточно труд­ным без дополнительных затрат па конструкцию. Поэтому основной целью акустиче­ского проектирования ограждающих конструкций является сглаживание резких па­дений звукоизоляции, вызванных волновым совпадением, или максимально возможное выведение граничной частоты за пределы слухового диапазона.

У тонких стекол (рис.2.15) fгp приходится на область высоких частот. При этом не­трудно заметить, что никакое разумное увеличение массы (увеличение толщины) стекла не сможет приблизить его звукоизоляционные характеристики к непрозрачным уча­сткам стен (для сравнения приведена кривая 6). В этом случае скорее возможен об­ратный результат - смещение граничной частоты в наиболее слышимые средние часто­ты с небольшим выигрышем за счет некоторого прироста звукоизоляции на менее зна­чимых низких. В этом отношении можно сказать, что стекло толщиной 3 мм (m=7.5 кг/м²), будет работать лучше, чем более массивное стекло толщиной 8 мм (m=20 кг/м²).

Дополнительный прирост звукоизоляции остекления можно получить за счет уста­новки двух (и более) стекол, разделенных воздушным промежутком. В строительной акустике такие конструкции принято представлять как систему двух масс с упругими поперечными связями (рис.2.16).

Рис.2.16. Прохождение звука через конструкцию остекления

Передача звука через такую конструкцию осуществляется следующим образом. Звуковые волны, падающие на наружное стекло с поверхностной плотностью m₁, вы­зывают в нем изгибные колебания. Находящийся в прослойке воздух выполняет роль амортизатора, в котором эти колебания затухают. Таким образом, на внутреннее стекло с поверхностной плотностью m₂, приходит уже ослабленное звуковое воздействие, ко­торое, в свою очередь, возбуждает изгибные колебания в этом стекле. Колеблющееся внутреннее стекло излучает звук в помещение.

Если сравнить две конструкции - однослойную с массой 1м² m = m_{1 +} m₂ и двух­слойную m_{1 +} воздух + m₂, в последней по сравнению с первой будет наблюдаться до­полнительная звукоизоляция ΔR, получаемая за счет упругой работы воздуха в про­слойке.

При этом суммарная звукоизоляция двойного ограждения R₂ будет определяться по формуле:

R_{2 =} R₁ + ΔR, (2.4.7)

где R₁ - изоляция одного слоя (наиболее массивного) с учетом волнового совпадения, ДБ;

ΔR - дополнительная изоляция, рассчитываемая по схеме колебательной системы

«масса - упругость - масса», дБ, определяемая как

ΔR = 20 lg {1- (f/fo)²} (2.4.8)

где f -текущая звуковая частота, Гц;

fo - частота собственных колебаний системы «масса - упругость - масса», Гц.

При заполнении промежутка между массивными слоями воздухом частота fo опре­деляется по формуле

fo = 60w(m_{1 +} m₂) / a m₁m₂; (2.4.9)

где а - толщина воздушного промежутка, м.

Теоретически и экспериментально установлено, что система двух масс с упругими поперечными связями обладает рядом резонансов. На рис. 2.17 принципиально показа­на частотная характеристика двойного остекления. Характерным для этой кривой явля­ется наличие нескольких частотных диапазонов, определяющих звукоизоляцию конст­рукции.

Рис. 2.17. Принципиальная частотная характеристика изоляции воздушного шума двойным остеклением. Характерные частотные диапазоны

На участке I в диапазоне частот до 100 Гц двойная конструкция, согласно теорети­ческим положениям, ведет себя как акустически однородная конструкция, имеющая массу 1 м², равную суммарной массе 1 м² двух стекол двойной конструкции

(m = m_{1 +} m₂).

Первый резонанс (участок II) имеет место при совпадении частоты падающих зву­ковых волн f с собственной частотой колебания остекления fo. На этой частоте стекла начинают совершать ритмические, усиливающие друг друга колебания, повышая тем самым прохождение звука через стекло. Значение дополнительной изоляции ΔR в формуле (2.4.8) в этот момент становится близким к нулю, а изоляция остекления, со­гласно (2.4.7), определяется изоляцией одного, наиболее массивного стекла. Как пра­вило, резонансная частота конструкции с двумя стеклами лежит в диапазоне частот от 100 до 400 Гц. Этот диапазон будем называть резонансным.

На участке III в диапазоне частот от 400 до 800 Гц наблюдается увеличение звуко­изоляции в соответствии с "законом массы", т.е. изоляция растет пропорционально увеличению массы стекол.

На участке IV, называемом диапазоном совпадения, от 800 до 3000 Гц звукоизоля­ция конструкции ухудшается за счет возникновения волнового совпадения в каждом из стекол.

На участке V в диапазоне частот выше 3000 Гц наблюдается последовательный прирост изоляции, однако этот участок, близкий к границе нормируемого диапазона, практически не представляет интереса для проектировщиков.

Масса каждого из стекол (m₁ и m₂), упругость воздушной прослойки, зависящая от ее толщины а, и отношение частоты воздействующего звука к собственной частоте колебаний конструкции f/fo являются факторами, определяющими передачу звуковой энергии через конструкцию двойного остекления.

Приведем частотные характеристики для некоторых видов остекления, рассчитан­ные по методике СНиП II-12-77.

Рис. 2.18а. Частотные характеристики изоляции воздушного шума двойным остекле­нием с одинаковыми стеклами, толщиной h. Толщина воздушного проме­жутка d=10мм; 1 - h=3 мм; 2 - h=4 мм; 3 - h=6 мм; 4 - h=8 mm; 5 - норма­тивная кривая изоляции воздушного шума

Рис. 2.186. Частотные характеристики изоляции воздушного шума двойным остекле­нием с одинаковыми стеклами, толщиной h. Толщина воздушного проме­жутка d=20мм 1 - h=3 мм; 2 - h=4 мм; 3 - h=6 мм; 4 - h=8 mm; 5 - норма­тивная кривая изоляции воздушного шума

Рис. 2.19. Частотная характеристика изоляции воздушного шума двойным остеклени­ем со стеклами, различной толщины h₁ и h₂. Толщина воздушного промежут­ка d=10мм, 1 - h₁ =4 мм (m=10 кг/м²), h₂=6 мм (m=15 кг/м²); 5 - нормативная кривая изоляции воздушного шума

Анализируя рис.2.18 и 2.19, можно проследить зависимость влияния различных факторов на звукоизоляцию остекления. При одинаковой толщине стекол, а следова­тельно, и при одинаковой поверхностной плотности, частоты волнового совпадения для обеих стекол совпадают, т.е. f_гр1 = f_гр2. При этом преимущества, получаемые за счет увеличения массы стекол, в значительной степени теряются из-за смещения f_гр в сто­рону средних частот.

Увеличение толщины воздушной прослойки приводит к смещению частоты fo в сторону низких частот, давая общую тенденцию к повышению звукоизоляции на сред­них, однако не решает проблем, связанных с волновым совпадением.

Оптимальными характеристиками обладает система со стеклами различной толщи­ны (рис. 2.19.). В этом случае частоты f_гр1 и f_гр2 не совпадают, частотная характеристи­ка сглаживается и не имеет провалов.